ยุงที่เป็นพาหะนำโรคมาลาเรียกำลังวิวัฒนาการเร็วกว่ายาฆ่าแมลงที่จะกำจัดพวกมันได้

การต่อสู้กับโรคติดเชื้อเป็นการแข่งขันกับวิวัฒนาการ แบคทีเรียพัฒนาความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ และไวรัสก็วิวัฒนาการอย่างต่อเนื่องเพื่อแพร่กระจายได้เร็วขึ้น โรคที่เกิดจากแมลงเป็นอีกสมรภูมิหนึ่งของวิวัฒนาการ เพราะแมลงเองก็กำลังพัฒนาความต้านทานต่อสารพิษที่มนุษย์ใช้ฆ่าพวกมัน
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โรคมาลาเรียที่เกิดจากยุงเป็นพาหะคร่าชีวิตผู้คนกว่า 600,000 คนต่อปี นับตั้งแต่สงครามโลกครั้งที่สองเป็นต้นมายาฆ่าแมลง—อาวุธเคมีที่ออกแบบมาเพื่อฆ่ายุงอะโนเฟลส์ที่ติดเชื้อปรสิตมาลาเรีย—ถูกนำมาใช้ในการต่อสู้กับโรคมาลาเรีย
อย่างไรก็ตาม ยุงพัฒนาวิธีการต่างๆ อย่างรวดเร็วเพื่อทำให้สิ่งเหล่านี้เป็นไปไม่ได้ยาฆ่าแมลงไม่ได้ผลซึ่งทำให้ผู้คนหลายล้านคนเสี่ยงต่อการติดเชื้อร้ายแรงมากขึ้น งานวิจัยที่ผมและเพื่อนร่วมงานเพิ่งตีพิมพ์ไปเมื่อเร็ว ๆ นี้ อธิบายถึงสาเหตุดังกล่าว

ในฐานะนักพันธุศาสตร์เชิงวิวัฒนาการ ฉันศึกษาการคัดเลือกโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นพื้นฐานของวิวัฒนาการแบบปรับตัว การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่เอื้อต่อการอยู่รอดมากที่สุดจะเข้ามาแทนที่การเปลี่ยนแปลงที่ไม่เป็นประโยชน์ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสายพันธุ์ ความสามารถในการวิวัฒนาการของยุงอะโนเฟลส์นั้นน่าทึ่งอย่างแท้จริง
ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ยุงอะโนเฟลส์ส่วนใหญ่ในแอฟริกาไวต่อยาฆ่าแมลงกลุ่มไพรีทรอยด์ ซึ่งเดิมสกัดมาจากดอกเบญจมาศ การควบคุมยุงจึงอาศัยวิธีการหลักสองวิธีคือ การใช้มุ้งชุบยาฆ่าแมลงเพื่อป้องกันยุงขณะนอนหลับ และการพ่นยาฆ่าแมลงตกค้างบนผนังอาคาร วิธีการสองวิธีนี้เพียงอย่างเดียวอาจช่วยป้องกันโรคมาลาเรียได้มากกว่า 500 ล้านรายระหว่างปี 2000 ถึง 2015
อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันยุงจากกานาถึงมาลาวีเริ่มดื้อต่อยาฆ่าแมลงมากขึ้น แม้ในความเข้มข้นที่สูงกว่าปริมาณที่เคยเป็นอันตรายถึงชีวิตถึง 10 เท่า นอกจากมาตรการควบคุมยุงอะโนเฟลส์แล้ว กิจกรรมทางการเกษตรยังอาจทำให้ยุงสัมผัสกับยาฆ่าแมลงกลุ่มไพรีทรอยด์โดยไม่ตั้งใจ ซึ่งยิ่งทำให้การดื้อยาของยุงรุนแรงขึ้นไปอีก
ในบางพื้นที่ของทวีปแอฟริกา ยุงอะโนเฟลส์ได้พัฒนาความต้านทานต่อยาฆ่าแมลง 4 กลุ่มที่ใช้ในการควบคุมโรคมาลาเรีย
ยุงอะโนเฟลส์และปรสิตมาลาเรียพบได้นอกทวีปแอฟริกาเช่นกัน ซึ่งการวิจัยเกี่ยวกับความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงนั้นไม่ค่อยแพร่หลายนัก
ในพื้นที่ส่วนใหญ่ของทวีปอเมริกาใต้ ยุงที่เป็นพาหะหลักของโรคมาลาเรียคือยุง Anopheles darlingi ยุงชนิดนี้แตกต่างจากยุงที่เป็นพาหะของโรคมาลาเรียในทวีปแอฟริกามาก จนอาจจัดอยู่ในสกุลที่แตกต่างกัน คือ Nyssorhynchus ดิฉันและเพื่อนร่วมงานจากแปดประเทศได้วิเคราะห์จีโนมของยุง Anopheles darlingi มากกว่า 1,000 ตัว เพื่อทำความเข้าใจความหลากหลายทางพันธุกรรม รวมถึงการเปลี่ยนแปลงใดๆ ที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ในช่วงไม่นานมานี้ เพื่อนร่วมงานของดิฉันได้เก็บรวบรวมยุงเหล่านี้จาก 16 สถานที่ทั่วพื้นที่กว้างใหญ่ที่ทอดยาวจากชายฝั่งมหาสมุทรแอตแลนติกของบราซิลไปจนถึงชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิกของเทือกเขาแอนดีสในโคลอมเบีย
เราพบว่า ยุง Anopheles darlingi เช่นเดียวกับญาติของมันในทวีปแอฟริกา มีความหลากหลายทางพันธุกรรมสูงมาก—มากกว่ามนุษย์ถึง 20 เท่า—ซึ่งบ่งชี้ว่ามีประชากรจำนวนมาก สายพันธุ์ที่มีแหล่งรวมยีนขนาดใหญ่เช่นนี้ ปรับตัวได้ดีในการรับมือกับความท้าทายใหม่ๆ เมื่อประชากรมีขนาดใหญ่ ความน่าจะเป็นของการเกิดการกลายพันธุ์ที่เหมาะสมซึ่งให้ประโยชน์ที่ต้องการก็จะเพิ่มขึ้น เมื่อการกลายพันธุ์นี้เริ่มแพร่กระจาย ด้วยความได้เปรียบด้านจำนวน แม้การตายของยุงเพียงไม่กี่ตัวก็จะไม่นำไปสู่การสูญพันธุ์โดยสิ้นเชิง
ในทางตรงกันข้าม นกอินทรีหัวขาวซึ่งเป็นนกพื้นเมืองของสหรัฐอเมริกา ไม่เคยพัฒนาความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงดีดีที และในที่สุดก็ต้องเผชิญกับการสูญพันธุ์ ประสิทธิภาพในการวิวัฒนาการของแมลงหลายล้านตัวนั้นเหนือกว่านกเพียงไม่กี่พันตัวมาก อันที่จริง ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา เราได้สังเกตเห็นสัญญาณของการวิวัฒนาการแบบปรับตัวในยีนที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานยาในยุงอะโนเฟลส์ดาร์ลิงกิ
สารฆ่าแมลงกลุ่มไพรีทรอยด์และดีดีที รวมถึงสารฆ่าแมลงอื่นๆ ออกฤทธิ์ต่อเป้าหมายระดับโมเลกุลเดียวกัน นั่นคือ ช่องไอออนที่สามารถเปิดและปิดได้ในเซลล์ประสาท เมื่อช่องเหล่านี้เปิดอยู่ เซลล์ประสาทจะกระตุ้นเซลล์อื่นๆ สารฆ่าแมลงจะบังคับให้ช่องเหล่านี้เปิดอยู่และส่งสัญญาณต่อไป ทำให้แมลงเป็นอัมพาตและตาย อย่างไรก็ตาม แมลงสามารถพัฒนาความต้านทานได้โดยการเปลี่ยนรูปร่างของช่องเหล่านั้นเอง
การศึกษาทางพันธุกรรมก่อนหน้านี้โดยนักวิทยาศาสตร์ท่านอื่น รวมถึงการศึกษาของเรา ไม่พบการต้านทานประเภทนี้ในยุง Anopheles darlingi แต่เราค้นพบว่าการต้านทานพัฒนาขึ้นในรูปแบบที่แตกต่างออกไป นั่นคือ ผ่านชุดยีนที่เข้ารหัสเอนไซม์ที่ย่อยสลายสารประกอบที่เป็นพิษ กิจกรรมที่สูงของเอนไซม์เหล่านี้ ซึ่งรู้จักกันในชื่อ P450 มักเป็นสาเหตุของการพัฒนาความต้านทานต่อยาฆ่าแมลงในยุงชนิดอื่น นับตั้งแต่มีการใช้ยาฆ่าแมลงในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 ชุดยีน P450 ชุดเดียวกันนี้ได้กลายพันธุ์อย่างอิสระอย่างน้อยเจ็ดครั้งในทวีปอเมริกาใต้
ในเฟรนช์กายอานา ยีน P450 อีกชุดหนึ่งก็แสดงรูปแบบวิวัฒนาการที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งเป็นการยืนยันถึงความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดระหว่างเอนไซม์เหล่านี้กับการปรับตัว นอกจากนี้ เมื่อนำยุงใส่ในภาชนะปิดสนิทและสัมผัสกับยาฆ่าแมลงกลุ่มไพรีทรอยด์ ความแตกต่างของยีน P450 ในยุงแต่ละตัวมีความสัมพันธ์กับระยะเวลาการอยู่รอดของพวกมัน
ในอเมริกาใต้ การรณรงค์ควบคุมโรคมาลาเรียขนาดใหญ่โดยใช้ยาฆ่าแมลงเกิดขึ้นประปรายและอาจไม่ใช่ปัจจัยหลักที่ขับเคลื่อนวิวัฒนาการของยุง แต่ยุงอาจได้รับสารกำจัดศัตรูพืชทางการเกษตรโดยอ้อม ที่น่าสนใจคือ เราสังเกตเห็นสัญญาณของวิวัฒนาการที่ชัดเจนที่สุดในภูมิภาคที่มีการเกษตรที่พัฒนาแล้ว
แม้ว่าจะมีวัคซีนใหม่และความก้าวหน้าอื่นๆ ในการควบคุมโรคมาลาเรียในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่การควบคุมยุงยังคงเป็นกุญแจสำคัญในการลดการแพร่กระจายของโรคมาลาเรีย
หลายประเทศกำลังทดสอบวิศวกรรมพันธุกรรมเพื่อต่อสู้กับโรคมาลาเรีย เทคโนโลยีนี้เกี่ยวข้องกับการดัดแปลงพันธุกรรมของประชากรยุงเพื่อลดจำนวนหรือลดความต้านทานต่อปรสิตมาลาเรีย แม้ว่าความสามารถในการปรับตัวที่น่าทึ่งของยุงอาจเป็นความท้าทาย แต่แนวโน้มก็ดูดี
ผมและเพื่อนร่วมงานกำลังทำงานเพื่อปรับปรุงวิธีการตรวจจับการดื้อยาฆ่าแมลงที่เกิดขึ้นใหม่ การถอดรหัสจีโนมยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตรวจจับการตอบสนองทางวิวัฒนาการใหม่หรือที่ไม่คาดคิด ความเสี่ยงในการปรับตัวจะสูงที่สุดภายใต้แรงกดดันจากการคัดเลือกที่ยาวนานและรุนแรง ดังนั้น การลด การปรับเปลี่ยน และการกำหนดขั้นตอนการใช้ยาฆ่าแมลงสามารถช่วยป้องกันการพัฒนาการดื้อยาได้
การเฝ้าระวังอย่างเป็นระบบและการตอบสนองที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งในการต่อสู้กับการดื้อยาที่กำลังพัฒนาขึ้น ต่างจากวิวัฒนาการ มนุษย์สามารถทำนายอนาคตได้
Jacob A. Tennessen ได้รับทุนสนับสนุนจากสถาบันสุขภาพแห่งชาติ (National Institutes of Health) ผ่านทางโรงเรียนสาธารณสุขศาสตร์ TH Chan แห่งมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด และสถาบันบรอด (Broad Institute)